仿生梯度润湿性Janus网格的协同毛细冷凝与定向液滴传输实现高效雾水收集

这篇研究通过仿生策略开发了基于羧甲基纤维素钠-Ca2+/棕榈酸的Janus网格，构建了138°润湿梯度的不对称界面，结合毛细冷凝和拉普拉斯压差实现0.07秒超快速定向液滴传输。其垂直和15°倾斜条件下的雾收集效率分别达0.72和1.80 g·cm?2·min?1，较原不锈钢网格提升2.06-5.1倍，为干旱地区水资源获取提供了"高效+绿色"双解决方案。

　　

1 引言

全球水资源分布不均使干旱地区约23亿人面临生存威胁。受猪笼草、仙人掌和叶肉组织启发，本研究提出"生物质交联-结晶疏水化"协同策略，开发了环境友好的Janus不锈钢网格。传统雾收集材料依赖全氟硅烷等持久性有机污染物（POPs），而现有生物基Janus膜存在润湿梯度不足（Δθ=112°-118°）和传输速度慢（>0.5秒）等问题。

2 结果与讨论

2.1 雾收集系统设计

通过离子交联和溶剂诱导结晶工艺，在300目不锈钢网格两侧构建非对称结构：亲水侧为CMC-Ca²⁺多孔层（接触角14.6°），疏水侧为棕榈酸微米级玫瑰花瓣状超疏水层（接触角152.8°），形成138°润湿梯度。这种设计模拟了猪笼草单向输水、仙人针拉普拉斯压差和叶肉组织多孔结构的协同效应。

2.2 表面表征

FTIR和XPS证实Ca²⁺与CMC羧基形成离子键（C=O峰从1639 cm^?1位移至1581 cm^?1）。XRD显示疏水侧在2θ=21.5°和23.8°出现棕榈酸β晶型衍射峰。SEM显示亲水侧呈"蛋托"状多孔结构（孔径0.07-0.94 μm），疏水侧为层状纳米结构（厚度0.14-0.55 μm），EDS证实元素分区分布。

2.3 单向传输特性

表面能计算显示疏水侧比亲水侧高133.9 mN·m^?1，驱动液滴在0.07秒内完成定向迁移。实验证明该传输具有抗重力特性，在正己烷-水体系中迁移时间延长至1.25秒，归因于油相粘滞阻力。

2.4 雾收集行为

高速摄像显示：疏水侧液滴通过拉普拉斯压差（ΔP=∫(2γ/(r+R₀)²)sinα dz）向亲水侧迁移，亲水侧多孔结构同步完成液滴吸附和孔隙维护，实现动态分离。

2.5 性能测试

垂直放置时收集效率达0.72 g·cm^?2·min^?1，15°倾斜时提升至1.80 g·cm^?2·min^?1（5.1倍于原网格）。首滴脱落时间仅6.81秒，12次循环测试显示性能稳定。

3 结论

该研究通过仿生设计实现了"润湿梯度-表面能-毛细冷凝"协同机制，为干旱地区水资源获取提供了新范式。未来将优化户外耐候性以推进技术转化。

4 实验方法

采用喷涂法制备：亲水侧依次喷涂2 wt% CMC溶液和5 wt% CaCl₂溶液；疏水侧喷涂棕榈酸乙醇饱和溶液（60℃配制，25℃结晶）。雾收集测试在95%RH、25℃条件下进行，采用公式WCR=(M₁-M₂)/(A·t)×100%计算效率。